FPSO 艙室不停產維修方法

余俊雄，黃永鋒，彭湘桂，楊 軼

(1. 中海石油(中國)有限公司曹妃甸作業公司 天津 300457； 2. 中海油能源發展股份有限公司采油服務分公司 天津 300452)

渤海某油田FPSO是載重量為15萬噸級的浮式生產儲油裝置[1]，由國內某研究所設計，于2004年 7月建成并投入使用，該FPSO整體設計壽命為25年，其中防腐系統設計壽命為15年[2]。

2017年，在進行艙室檢查時發現某壓載艙與貨油艙之間的艙壁板有多處嚴重腐蝕甚至穿孔、貨油艙之間艙壁的垂向T型材變形及壓載艙犧牲陽極失效等問題[3]。2018年初采用臨時修補的方式解決泄露的問題，并于2019年開展艙室不進塢、不停產在線維修，當年4月開始海上施工，12月艙室恢復使用。艙室維修的主要工作量包括壓載艙與貨油艙壁大面積更換，更換面積約60m2，占整面艙壁的30%；橫艙壁增加3道加強筋，解決艙壁變形問題；壓載艙鋅陽極更換為鋁陽極，解決陽極失效問題。

1 原因分析

1.1 現場調研

壓載艙分為3層，經過現場調研發現壓載艙的腐蝕情況是由于靠近貨油艙面，而靠近舷側面基本沒有發生腐蝕。腐蝕多從焊縫處發生，大多以鼓泡形式出現(圖1)。

圖1 艙室涂裝調研情況 Fig.1 Investigation of cabin painting

不同區域各自測量了陽極的尺寸，壓載艙的陽極已服役15年，其外形尺寸基本沒有變化，也沒有消耗(圖2)，但艙壁發生了嚴重的腐蝕，判斷艙室的犧牲陽極沒有發生作用。調研發現陽極連接良好，不存在接觸不良的情況。

圖2 艙室陽極調研情況 Fig.2 Investigation of cabin anode

現場調研發現貨油艙之間橫艙壁上的垂向T型材變形，最大變形量達到35mm，第5#到12#骨材發生變形(圖3)，全部位于第1～2層平臺之間。

圖3 T型梁變形問題 Fig.3 Deformation of T-beam

1.2 原因分析

根據調研情況，涂層破損基本發生在壓載艙靠近貨油艙一側，分析認為主要是由于相鄰艙室貨油艙介質溫度較高(長期溫度控制在80℃左右)導致兩艙之間的艙壁溫度過高；同時，液位變化頻繁使得涂層長期處于高溫低溫不斷變化的狀態，進而加速了涂層失效的進程。

對于陽極失效的分析主要是通過采集陽極的樣本實驗模擬艙室內的腐蝕環境來驗證腐蝕情況。鋅合金陽極基體經機加工成Φ16mm×48mm 圓柱棒，細分為3步測試：①常溫常壓下的檢測，按照標準 GB/T17848對樣品進行10d的檢測；②檢測在溫度為65℃下進行，其他條件與①一致；③高溫加干濕交替條件下的檢測，在65℃時加入50%間浸率進行實驗(即浸泡24h后將試樣拿出干燥24h，隨后交替進行直至總浸泡時間為10d，總的實驗周期共計20d)，然后分別觀察樣品的表面腐蝕情況。經過測試發現前2個測試陽極電位變化不大，第3個試驗在干濕交替條件下，通過記錄電位發現初期電位變化不大，但是在浸泡到150h之后，3個樣品的電位都有比較明顯的突變(圖4)，陰極保護作用失效明顯。

圖4 FPSO艙室問題 Fig.4 FPSO cabin problems

陽極材料經干濕交替實驗后觀察其表面形貌，腐蝕后的物質在樣品外層形成一層全部包圍的緊密的覆蓋層，導致樣品表面出現一種類似不銹鋼防腐被鈍化的保護層(圖5)，造成陽極失去應有保護功能。

圖5 陽極試驗表面形貌 Fig.5 Surface morphology of anode test

對已經發生變形的T型材的剩余能力進行分析，骨材翼緣橫向變形33mm，骨材高度470mm，計算可知骨材局部傾斜角度為4°。根據ABS和DNV規范關于傾斜骨材剖面模數的折減系數[4]cos(4°)＝0.998。公司組織檢驗單位對變形的T型材進行了焊縫ACFM裂紋探傷檢測，抽檢范圍內未發現焊縫裂紋損傷。因此，可以認為骨材本身剖面模數的折減可以忽略不計。

2 艙室維修

FPSO按照百年一遇的海況設計[5]，根據設計要素可以在海上服役15年，然后每5年進塢維修1次，對于只有1個終端的油田，這意味著整個油田需要停產至少3個月進行1次FPSO塢修，產量損失巨大。通過艙段有限元模型和溫度場模型分析確定62#橫艙壁變形原因，通過陽極取樣和模擬艙室條件的實驗找到陽極失效原因，通過艙壁壁厚測量配合艙段有限元模型分析確定艙壁更換范圍，通過有限元應力分析確保艙室維修期間的結構安全，根據裝載首次確保FPSO配載的準確，最終形成了艙室在線不停產維修方案，并通過現場安全管理的升級使得在線維修方案最終順利實施[6]。

2.1 艙室泄漏的臨時堵漏方法

某FPSO艙室發現問題后，鑒于沒有查明問題的根本原因，且渤海灣也沒有類似經驗可借鑒，于是查閱了大量技術資料并進行深入研究，最終形成了打卡子注脂、漏點補焊、局部挖補換板、高分子材料冷焊接等臨時維修方案。由于壓載艙存在泄露的油氣，故采用熱工的方式進行維修風險極高，在通過多次技術討論和風險分析后最終首次采用了高分子材料冷焊接鋼板的新工藝(圖6)，成功實現了4個漏洞的臨時修補。

圖6 高分子材料冷焊接鋼板維修漏點 Fig.6 Maintenance leakage points of polymer cold welded steel plate

2.2 艙室結構安全性的有限元模型分析

根據FPSO船體設計圖紙進行了艙段有限元分析(圖7)，結合艙室測厚報告在模型中對腐蝕區域進行了相應的壁厚折減以模擬腐蝕后的情況。考慮到不同的裝卸載工況和作業海況等因素，將工況載荷施加到模型中進行計算[7]。分析后發現壓載艙內殼縱艙壁FR59肋位腐蝕區域存在較大的破壞風險，泄漏區域有可能進一步擴大，并根據應力分析結構確定艙室更換期間船體在#58～#60肋位的剪切力不超過 ±20000kN，其他肋位的總縱剪力不超過原裝載手冊中給出的許用值。

圖7 艙壁有限元分析 Fig.7 Finite element analysis of bulkhead

2.3 溫度應力對風險艙壁變形的影響

針對62#橫艙壁的承載能力，通過建立有限元模型的方法進行計算分析，查找可能導致骨材變形的影響因素，分別建立了艙段有限元模型和溫度場模型(圖8)。在不考慮溫度應力的情況下，62#艙壁的屈服和屈曲分析均滿足規范的要求[8]。考慮該艙壁在不同溫度條件下溫度應力的影響，液體溫度計算模擬是在60～100℃范圍之內(實際作業時，貨油的溫度為60～84.5℃)，不同溫度下板架屈曲的校核差異很大，出現了不滿足規范要求的情況，屈曲校核允許的最大U.C值為0.8(表1)。

表1 不同溫度下板架屈曲校核結果 Tab.1 Buckling check results of plate supports at different temperatures

圖8 溫度場模型 Fig.8 Temperature field model

2.4 維修不壓產方案的實施

艙壁換板的面積達到了整個區域的30%，為確保維修期間腐蝕區域船體結構安全，船體#58～#60肋位的剪切荷載不能超過±20000kN。為了滿足此要求[9]，需將原油最大裝載能力降至60000m3(表2)，使得FPSO達到艙儲原油外輸后的安全生產天數由5d縮短為2d，這意味著無論是設備原因還是天氣原因都很有可能造成油田壓產。

表2 FPSO最大裝載能力 Tab.2 Maximum loading capacity of FPSO

經過深入研究，最終在裝配載方案上找到了突破點。首先統計FPSO 歷次改造增加了的設備載荷合計總重為447t，達到原空船重量的1.07%，壓配載系統與實際不相符，于是通過更新裝載手冊、升級裝載計算機來確保FPSO裝配載數據準確。然后對壓載閥門密封性進行逐個檢查，對液位計進行逐個校核，邀請原配載儀廠家到現場進行嚴密的論證，優化配載方案，滿足限載的同時實現原油裝載最大化。另外，根據天氣情況提前優化外輸計劃，確保能夠按時外輸，通過加強外輸設備維保來保障外輸的順利性。

2.5 提高施工效率和減少艙室占用的方法

在確定了維修方案后，如此大面積進行艙壁更換意味著很長的施工周期，對縮短施工周期進行深入研究后，最終通過優化施工工序的方法在減少艙室占用的同時還大幅提高了工作效率(圖9)。首先，將艙室維修分2期進行，一期進行遠離6P貨油艙艙壁的維修工作，維修期間只有7P壓載艙和7PSLOP艙空艙；二期進行靠近6P貨油艙艙壁的維修工作和橫艙 壁加強，維修期間需要7P壓載艙、7PSLOP艙、6P壓載艙、6P貨油艙4個艙室空艙。通過分期實施8個月的施工周期，6P貨油艙只空艙了2個月的時間就增加了FPSO的裝載能力。其次，通過結構分析，只要不出現“L”型換板，就可同時更換2塊相距較遠的壁板；相連的板可以先在艙內拼接再整塊更換，減少焊接難度，并優先施工59#肋位，解除FPSO配載限制。通過換板工序的優化，將艙室內的施工效率提高了近1倍；同時，也盡早解除了FPSO配載的限制，提高了裝載能力，減少了壓產的可能性。

圖9 艙室維修分期及同時換板工序 Fig.9 Cabin maintenance stage and simultaneous plate replacement process

2.6 艙室密閉空間動火作業的現場安全管理

艙室空間限制動火作業是此項目的第二大難點，也是風險級別最高的施工作業。實施方案對艙室內的通風照明、氣體測量記錄、人員每日身體檢查、艙室內作息時間、艙室內外通信、應急救援物資、過程檢驗等都做了升級要求，并根據項目進度開展了針對性的應急演習。

3 結 語

實驗證明，在高溫海水交替的環境下陽極表面易形成一層致密的鈍化膜，致使陽極失效。在引入溫度場模型后發現艙室結構的UC值不滿足規范要求，所以建議對于艙室或類似結構的分析要充分考慮溫度應力的影響。■